高数挂科，噩梦科研，他凭什么走上世界物理学之巅？

你科周末 2020-11-20原文

2020年11月19日，澎湃新闻突然宣布，清华副校长、著名物理学家薛其坤将任南方科技大学校长。

此前就有坊间传闻，说薛其坤院士将接陈十一院士的棒，成为南科大的第三位校长。 
 
说实话，这一位曾获“未来科学大奖”，写出过 “诺奖级物理学论文”（杨振宁语）的物理学家，任南科大的新校长，的确是让人激动且期待的。
 
2019年1月8日上午，2018年度国家科学技术奖励大会在人民大会堂隆重召开。这一年获得国家自然科学奖的有38项，其中一等奖仅有1项。这个代表着全国自然科学最高成就的奖项，颁发给了薛其坤团队。
 

获奖的研究成果，正是被誉为“物理学研究皇冠上的明珠”的“量子反常霍尔效应的实验发现”。
 
这一项研究成果是世界物理学界近20年来最重要的实验发现之一，成果将推动新一代低能耗晶体管和电子学器件的发展，可能加速推进信息技术革命的进程。

 

无数实验的努力换来完美的数据

 

人类发现反常霍尔效应，是在1881年，谁也没想到，时隔100多年，中国科学家终于实现了其量子化。
 
团队成员马旭村回忆，实验组总共做了超过1000次磁性掺杂的样品测量。而在生长阶段就失败而没拿去测量的样品，根本没人统计过。“顺利时，一周能做出5块样品；不顺利时，一个月也做不出来一块。”
 
历经不断探索和磨合，团队最终找到了一条合理的技术路线。“这在很大程度上得益于样品生长和输运测量研究组的紧密合作。团队成员几乎每天都通过邮件和电话交流实验结果，每2至3周会开展一次充分讨论，分析实验的所有细节，并制订下一步详尽计划。”团队成员何珂说。


生长、测量、反馈、调整……从2009年开始，团队围绕磁性拓扑绝缘体材料的研制，开启了不厌其烦地重复。
 
——薛老师，量子化反常霍尔效应出来了，等待详细测量！
 
这是2012年10月12日晚上10点35分的那条短信，薛其坤和他的团队永远不会忘记这个时刻。
 
一向严谨的薛其坤按捺住激动的心情，组织团队人员设计出几套方案，部署好下一步实验。一次的测量结果并不能说明问题，需要多次重复实验。为确认看到的迹象就是量子反常霍尔效应，薛其坤邀请中国科学院物理所的吕力实验组加入到最后阶段的冲刺——他们的稀释制冷机可以把实验温度降到30mk（比绝对零度高0.03℃）。
 
实验数据不停跳动着，10000、20000、25813！数据停住了！材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到量子电阻（h/e2~25813欧姆）的数值并形成一个平台，同时纵向电阻急剧降低并趋近于零，这是量子反常霍尔效应的特征性行为。


这是见证奇迹的时刻——在美国物理学家于1881年发现反常霍尔效应100多年后，人类终于实现了其量子化！而且实验结果如此干净漂亮，数据完美得几乎不可思议。
 
结果揭晓当天，薛其坤带了两瓶香槟与团队合影，留下了这珍贵的回忆。这天，离2008年10月实验开始已经过去了整整4年。
 
4年多艰苦卓绝的协同攻关，薛其坤团队克服薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关，一步步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控，最终为这一物理现象的实现画上了完美句号。
 
2013年3月15日，《科学》杂志发表了一项物理学界的重大成果——薛其坤领衔的团队在实验中首次发现量子反常霍尔效应。后来，包括美国和欧洲的顶级团队都按照薛其坤的方法证明了实验结果，这才让这一百多年来的“霍尔效应”又添上了浓墨重彩的一笔。
 


“建立新的科学理论、发现新的科学效应和科学规律是基础研究皇冠上的明珠。量子反常霍尔效应是一个基于全新物理原理的科学效应，是中华人民共和国成立以来我国独立观测到的不多的科学效应之一，是我国物理学工作者对人类科学知识宝库的一个重要贡献。”薛其坤在谈到自己的贡献时，总是温和而谦虚，将功劳归于大家。

 

梅花香自苦寒来 薛其坤的艰苦求学路


薛其坤出生、长大于山东沂蒙山区。1984年，从山东大学本科毕业的他，开始考中科院的研究生，这一考就是三年。第一次考研，高等数学只考了39分；第二次考研，物理只考了39分。但他依然坚持，第三次考研，终于考进中科院物理所。
 
薛其坤毕业的时候，因为没有找到理想的工作，只好继续跟着导师读博士。别人的博士读5年，一般最多6年就可以毕业了，他却读了7年。读博期间，他被导师送到日本东北大学进修，可是让薛其坤始料未及的是，这恰恰是“噩梦”的开始。
 
在日本的导师要求他们：一周工作6天，不管刮风下雨，都要准时到达实验室。而早上7点扎进实验室，一直干到晚上11点的“7-11”称号，也成了薛其坤的一个代名词。1992年6月，薛其坤来到日本东北大学金属材料研究所学习。他的导师樱井利夫要求，工作日必须早上7点到实验室，晚上11点离开。起初，语言的不通、严苛的作息，让薛其坤感觉孤单，跟家人通电话，几乎要落泪。后来他不仅把“7-11”复制到周末，还把这个习惯带回了清华大学。

《朗读者》薛其坤谈及求学生涯
 
在很多报道中，大家总把眼光集中于薛其坤的3次考研、7年博士经历。但事实上，他有非常好的物理天赋。
 
“在工作方面，薛教授最多的是勤奋，他的物理直觉非常好，在学术方向上判断很准。而且这样的物理直觉不仅仅是经过长期研究获得的，而是有物理天分在里面。”清华大学王亚愚教授这样评价。

而薛其坤的压力，更多来自于他的锐意开拓和创新。最让王亚愚佩服的是，薛其坤喜欢去拓展新的领域，尽管这个领域会遇到很多困难，也有很多行家。但薛其坤愿意尝试，还能给新的领域带来新的想法，有他个人特色的想法。
 
薛其坤不承认自己是天才，他常说自己“不算绝顶聪明，但吃苦耐劳、非常勤奋”。大方向找对了，再加上坚持不懈的努力，才让他有了今天的成就。

 
艰苦的经历也为薛其坤教授带来乐观性格。他说：“人生总会有一些坑坑洼洼不顺的时候……总要找到一些办法去解决问题。”并对此给大家提了一些例如换位思考法﹑注意力转移法等具体建议。
 
在教学上，薛其坤也并不只懂严格。为了锻炼大家的观察能力和严谨的研究思维，薛其坤教授鼓励大家找出他的PPT中故意设置的不规范之处，并将事先准备好的奖品赠给最善于观察、最善于发现问题和提出问题的同学。报告后同学们争先恐后地向薛教授提问，并与他交谈讨论学术与人生问题。

 

获得大奖只是另一个开始

 

量子反常霍尔效应，国际物理学界的前沿热点，许多科学家相信，相关研究将加速推进信息技术革命。而这项研究的国际首次实验发现，诞生在中国，让全世界为之激动。
 
论文当年在美国《科学》期刊发表后，被国际凝聚态物理学界公认为近年来最重要的发现之一。物理学大师杨振宁评价：这是从中国实验室里，第一次发表出了诺贝尔奖级的物理学论文。
 
曾经9次因“宁缺毋滥”而空缺的国家自然科学奖一等奖，毫不吝啬地垂青于薛其坤团队。
2016年的未来科学大奖为薛其坤颁奖，奖金为100万美元，被称为中国的诺贝尔奖。薛其坤不无幽默地说：“我现在是腰缠万贯的科学家啦。”


2020年度菲列兹·伦敦奖也授予薛其坤，他是自1957年该奖设立以来，首个获得这一荣誉的中国科学家，第二个来自亚洲地区的科学家。
 
对于纷至沓来的名誉，薛其坤十分清醒地谈道，我国基础研究总体处于从量的积累向质的飞跃、从点的突破向系统能力提升的重要阶段。但是，与世界科技强国相比，我国基础研究和原始创新能力依旧存在明显差距，广大科技工作者还要再接再厉，接续奋斗。
 
我们期待，薛其坤就任南方科技大学校长之后，可以为深圳这片热土带来新的飞跃！


薛其坤简历
 
薛其坤，1963年12月出生于山东省临沂市蒙阴县高都镇西峪村，材料物理专家，中国科学院院士，中国科学院物理研究所研究员、清华大学教授、副校长。
 
1980年9月考入山东大学光学系，1984年7月毕业到曲阜师范大学物理系任教。
 
1994年获得中国科学院大学物理研究所获理学博士学位。
 
1999年8月回国到中国科学院物理研究所工作，
 
1999年9月至2005年9月任中国科学院表面物理国家重点实验室主任。
 
2000年9月加入中国共产党。
 
2005年5月到清华大学物理系工作，
 
2005年11月当选中国科学院院士，
 
2006年12月任物理系副主任，
 
2010年7月任理学院院长、物理系主任。
 
2013年3月任校长助理、科研院院长、理学院院长、物理系主任。
 
5月任清华大学党委委员、常委、副校长。
 
同年，他带领研究团队，在国际上首次实现了“量子反常霍尔效应” 。（从20世纪80年代开始，有关“量子霍尔效应”的研究已数次斩获诺贝尔奖。但关于这一家族中的“量子反常霍尔效应”，却一直进展缓慢，全世界的物理学家都在苦苦探索。）
 
2016年9月，获得未来科学大奖“物质科学奖”，奖金100万美金。
 
2017年1月，在未来论坛2017年会，颁发未来科学大奖“物质科学奖”。

2020年11月，任南方科技大学校长。

参考资料
澎湃新闻，《独家｜清华副校长、著名物理学家薛其坤将任南方科技大学校长》，2020-11-19
澎湃新闻，《北京市突出贡献中关村奖获得者薛其坤：为国家谋科学，为人民谋幸福，为民族谋复兴》，2020-09-12
中国经济网，《揭秘国家自然科学奖一等奖获奖项目“量子反常霍尔效应的实验发现”——攻克量子世界制高点》，2019-01-10
人民网，《2018年度国家科学技术奖揭晓 刘永坦、钱七虎获最高奖》，2019-01-08

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